过程控制系统课件-第四章-调节单元汇编

过程控制系统课件-第四章-调节单元.过程控制仪表概述

过程仪表的定义及作用1调节器的功能（1）偏差显示调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。（2）输出显示调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。（3）内、外给定的选择当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。（4）正、反作用的选择工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。（5）手动切换操作在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。（6）其它功能如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能

2执行器的作用

执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。

3安全栅安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。第一节DDZ-Ⅲ型模拟式调节器

补充：PID调节规律，比例积分微分调节规律理想PID的增量式数学表达式：为调节器输出的增量值，为被控参数与给定值之差。

写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分；为调节器的比例增益，为积分时间（以s或min为单位），为微分时间（也以s或min为单位）。

1比例调节规律比例控制数学表达式：为调节器输出的增量值，为被控参数与给定值之差。

纯比例调节器的阶跃响应特性

比例控制的特点控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零

u=KCe即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。式中e为输入偏差；u为控制器输出的变化量；（emax-emin）为输入的最大变化量,及输入量程；（umax–umin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度:ueeremaxeminuminumax比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。比例度δ的物理意义：使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。如δ

=50%表明：控制器输入偏差变化50%，就可使控制器输出变化100%，若输入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比例关系。uuur0100%50%umaxuminδ

=50%δ

=100%例某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号范围是4～20mA。当指示指针从600℃变到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。解答温度的偏差在输入量程的50％区间内（即200℃）时，e和u是2倍的关系。u/mAe/℃e420800400δ

=50%2比例积分控制（PI）当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。（1）积分控制（I）输出变化量u(t)与输入偏差e的积分成正比当e是幅值为E的阶跃时TI—积分时间eEttu积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。

积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEttu若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。（2）比例积分控制（PI）比例积分调节器的阶跃响应特性称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。

3比例微分控制（PD）对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。式中：TD—微分时间—偏差变化速度理想微分（1）微分控制（D）eEttu微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。

微分控制的特点eEttu（2）比例微分控制（PD）实际的比例微分控制

理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。

将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。4比例积分微分控制（PID）PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。DDZ-Ⅲ型基型调节器

模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了Ⅰ型（用电子管）、Ⅱ型（用晶体管）和Ⅲ型（用集成电路）。PID调节器的阶跃响应特性1DDZ-Ⅲ型仪表的特点及外形特点：测量信号：1～5V.DC；外给定信号：4～20mA.DC；内给定信号：1～5V.DC；测量与给定信号的指示精度：±1％；输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％；输出保持特性：－0.1％（每小时）；输出信号：4～20mA.DC；调节精度：±0.5％；负载电阻：250～750Ω。1-双针垂直指示器2-外给定指示灯3-内给定设定轮4-自动—软手动—硬手动切换开关5-硬手动操作杆6-输出指示器7-软手动操作板键DDZ-Ⅲ基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。

全刻度指示调节器的构成框图2全刻度指示调节器的构成原理

全刻度指示调节器的线路实例输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号Vi和给定信号Vs之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。求偏差e：V01=k(Vs－Vi)

1输入电路因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。可列出两输入节点的电流方程：而VT≈VF则

V01=－2（Vi－VS）

采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，（2）求偏差

Vi–VS，进行偏差运算。（3）将偏差放大

为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。电路的特点（1）输入阻抗高（4）进行电平移动

Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在2～19V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB=10V

，即进行电平移动。

因为Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

则显然，IC不能正常放大。如果VB=0VB=10V时，

V+=V-=3.7～5.7V保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。V+V-而且VB=0时，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID电路IC的范围要求。VB=10时：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V

使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。＋－2、PD电路分析

PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成P电路；开关S8打向“通”时，构成PD电路。PD传递函数ID得式中：n=KD

—微分时间常数ID又因

得

阶跃响应

当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为V02TD/nαV01/n63%t可见，此电路的微分是实际的微分。当S8置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。

3、PI电路分析

它接收以10V为基准的PD电路的输出信号V02，进行PI运算后，输出以10V为基准的1~5V电压V03，送至输出电路。该电路由A3、R1、C1、CM等组成。S3为积分档切换开关，S1、S2为自动、软手动、硬手动联动切换开关，该电路除了实现PI运算外，手动操作信号也从该级输入。A3的输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。

由于电容CM积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。PI传递函数S1置于“自动”位置、S3分别置于“×1”、“×10”档时的简化电路：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：S3打向×10档时：m=10S3打向×1档时：m=1

PID运算电路由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。PIPD4输出电路其任务是将PID电路输出电压VO3=1～5V变换为4～20mA的电流输出，并将基准电平移至0V。在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。取：R3=R4=10KΩ，R1=R2=4R3由V+≈V-得转换关系

则而若取R1=4（R3+Rf）=40.25KΩ时，可以精确获得关系：5调节器的整机传递函数

输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结构框图

整机传递函数可表示为:6手动操作电路及无扰切换通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。A→M无冲击1)A、M间的切换S1从A切换到M时：断开A3的输入CM无放电回路VO3保持不变S42闭合→-VM接入——按TI

=100s的时间积分S41闭合→-VM接入——按TI

=6s的时间积分同理，S43（或S44）闭合→+VM接入——反向积分用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为“软手动”。2)A、H间的切换当切换开关S1由自动位置A，切向硬手动H时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。由于CM充电迅速，A3的输出近似为比例电路。传递函数时间常数T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s可见，VH改变时，VO3很快达到新的稳态值。A→H前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。M→H也同样。3)M、H→A间的切换S1由A切向M或H时，联动开关同时将积分电容CI接VB，使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。自动（A）软手动（M）

无扰无扰硬手动（H）无扰有扰总结：DDZ-III型调节器软、硬手动的切换过程可总结为:自动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换；2)软手动切换到硬手动，需平衡后切换才能做到无扰动切换；3)硬手动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换；4)软手动切换到自动，无需平衡即可做到无扰动切换。7指示电路以输入信号指示电路为例进行讨论。调节器采用双针指示式电表，全量程地指示测量值与给定值。偏差大小由两个指针间的距离反映，当两针重合时，偏差为零。S5切换到“标定”时，可进行示值标定。流过动圈表头的电流为第二节改进型调节器一、抗积分饱和调节器积分饱和及其带来的危害图4.20积分饱和问题

具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的作用下，其输出达到输出范围继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态这种现象称为积分饱和积分饱和的影响：控制不及时

防止积分饱和现象有三种办法：（1）对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值；（2）限制控制器积分部分的输出，使之不超出限值。对于气动仪表，可采用外部信号作为其积分反馈信号，使之不能形成偏差积分作用；对于电动仪表，可改进仪表内部线路；（3）积分切除法，即在控制器的输出超过某一限值时，将控制器的调节规律由比例积分自动切换成纯比例调节状态。图4.18偏差反馈型积分限幅电路二、微分先行PID算法（PI-D）有些工艺生产中，经常改变给定值。而用基本PID控制的话，当给定值突变时，微分作用会使调节器输出产生剧烈的跳动，称微分冲击，影响工况的稳定。PI-D算式：为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的PID算法。这种算法与基本PID算法的差别如下：

可将图（b）等效变换为图（c）。比较图（a）与图（c），可见PI-D算法，相当于在PID的给定值通道中，增加了一个一阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击大为缓和。三、比例微分先行的PID算法（I-PD）比例运算也能传递阶跃扰动。由微分先行得到启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。比例微分先行微分先行可将图（b）等效变换为图（c）。比较图（a）与图（c），可见I-PD算法，相当于在PID的给定值通道中，增加了一个二阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击更为缓和。图（b）图（c）图（a）第三节数字式调节器离散化处理

对于积分项用右式近似对于微分项用右式近似

结果：

1)基本数字式PID运算式位置型算式

输出与实际控制阀的阀位相对应优点：便于计算机运算的实现缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大2.输出的是实际使用阀位值增量型算式

输出为两个采样周期PID输出值之差

优点：1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单;2.每次只是输出增量;3.易于系统手动和自动间的无扰动切换速度型算式

输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间T之比本质上与增量型算式是相同的偏差系数型算式

是将增量型算式展开后合并同类项而得到的

则有：

设

2、数字式PID算法的改进不完全微分算式微分作用采用实际微分作用设

位置型理想PID算式

:一阶惯性环节的离散化后的形式:

微分先行PID算式微分运算环节：

微先分行PID算式

偏差计算：比例积分运算环节：带不灵敏区的PID算式—在一定偏差范围内输出为0或(B称为不灵敏区宽度)积分分离PID算式—在一定偏差范围内切除积分作用例:方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量N二、数字式调节器的组成

数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。

（1）主机电路主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。（2）过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关